钻杆漏磁检测机械部分设计.doc

目 录毕业设计任务书i毕业设计开题报告iii指导教师审查意见x评阅教师评语x答辩会议记录x摘要xi毕业设计正文主体11.选题背景11.1来源11.2研究的目的与意义11.3应解决的主要问题21.4应达到的技术要求21.5国内外研究现状31.6本研究的指导思想与技术路线42.方案论证52.1总体结构方案介绍52.2两种方案比较72.3重要装置设计方案简介83.设计过程论证93.1检测探头93.2弹簧设计103.3浮动连接装置设计153.4支柱设计173.5连接零件选择33223.6安装问题244.结果分析255.结论或总结26参考文献26致谢28- i -任务书长江大学工程技术学院毕业设计任务书学院（系） 机械系 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械0401 学生姓名 陈 明 亮 指导教师/职称 杨 雄/教授 1. 毕业设计(论文)题目：钻杆漏磁检测机械部分设计2. 毕业设计（论文）起止时间：07年10月22日08年元月13日3. 毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）1）所需资料：机械原理、机械设计、机械设计手册、cad绘图软件等。2）原始数据：材料42crmo 外径：149.2mm 内径：96.9 最小长度：76.2 最大长度：139.7 钢级：x, g, s4. 毕业设计(论文)应完成的主要内容1）查阅参考文献2）外文翻译3）撰写开题报告4) 画零件图5）撰写毕业设计论文5. 毕业设计(论文)的目标及具体要求1）目标：通过本设计，学习漏磁检测系统设计的特点和全过程，训练工程设计能力2）具体要求（按长江大学工程技术学院毕业设计工作条例要求）：查阅资料：近35年参考文献不少于15种（篇）；外文翻译：原文不少于2万字符，译文不少于3千汉字；撰写开题报告：不少于3千汉字；绘制装配图：1张（计算机图）；绘制主要零部件图：总数不少于1张0#图板大小，计算机图；撰写毕业设计论文：字数不少于1.5万汉字，计算机打印。6. 完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求所需工具：autocad软件。上机机时：约100小时。任务书批准日期 2007 年 10 月 22 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2007 年 10 月 22 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2007 年 06 月 13 日 学生签字 (签字) 开题报告长江大学工程技术学院毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 名 称 钻杆漏磁检测机械部分设计 题 目 类 别 毕业论文 学 院（系） 机械系 专 业 班 级 机械0401 学 生 姓 名 陈明亮 指 导 教 师 杨 雄 辅 导 教 师 开题报告日期 2007年10月30日 一、题目来源及题目类别题目名称: 钻杆漏磁检测机械部分设计题目来源: 生产实际题目类别: 毕业论文二、研究目的和意义石油钻具在钻井作业中,要承受拉、扭、压弯等多种载荷作用,同时受到泥浆的冲刷和腐蚀,服役条件十分苛刻。预防钻杆失效是提高钻井速度和保障施工安全的重要措施，历来受到石油及相关领域专家和现场工作人员的重视。为了提高生产安全效率,对钻具的损伤情况和预期寿命有必要做认真检测。但是，通常所用的无损检测方法,如超声法、涡流法、磁粉法、渗透法、电磁法和射线法只能发现钻具中已有的损伤和缺陷,对已多次下井使用但未产生损伤的钻具无法预测而且工人劳动强度大，检测速度慢，可靠性差，制约了钻井速度，而且一些大型油田钻井工作量大，钻杆使用及检测量大，传统的检测方法在一定程度上影响了油田经济效益的提高。这里介绍一种有效的检测方法漏磁检测。漏磁无损检测技术在钢铁、石油、石化等领域应用较广泛。漏磁检测只限于检测铁磁性材料, 主要是铁磁性材料的表面及近表面的检测。该方法具有探头结构简单、易于实现自动化、无污染、检测灵敏度高、不需要耦合剂、检测时一般不需要对表面进行清洗处理、可以实现缺陷的初步量化等特点。在工业上实用探伤设备的开发制造还刚刚起步, 而随着质量控制技术的发展与进步我国对于漏磁探伤设备的市场需求将越来越大。因此, 缩小同国外先进的无损检测设备制造水平的差距是当前我国无损检测业界的重要且紧迫的任务。由于钻杆是两头大中间小的结构，对于这种特殊结构，为了使检测仪器能在钻杆上顺利移动检测，检测仪器机械部分需要用浮动结构来调节。具体用连接滚轮和弹簧，利用它们的伸缩性来保证仪器的顺利移动，从而保证顺利检测。三、阅读的主要参考文献及资料名称 1 c. edwards and s. b. palaer the p rod magnetization method of magnetic particle inspect ion 25 p 305 british ndt 19832 d. l. atherton, finite element calculations and computer measurements of magnetic flux leakage patterns for pits. 30 (2) p 159 british journal of ndt 19883 d. l. atherton, magnetic inspect ion is key to ensuring safe pipelines, 87 (8) oil and gas journals4 c. edwards and s. b. palaer, the p rod magnetization method of magnetic particle inspect ion, 25, p 305 british ndt 19835 沈功田 中国无损检测进展 ndt 无损检测 中国 世界 2005 (2)6 刘志平 康宜华 武新军等 储罐底板漏磁检测传感器设计 无损检测 2004 26 (12) : 6126157 李路明 黄松龄 李振星等 铸铁件的漏磁检测方法 清华大学学报 2002 42 (4) : 4744768 黄松龄 管道磁化的有限元优化设计 清华大学学报 2000 40 (2) : 67699 李路明 黄松龄 施克仁 漏磁检测的交直流磁化问题 清华大学学报 2002 42 (2) :15415610 杨理践 马凤铭 高松巍 管道漏磁在线检测系统的研究 仪器仪表学报 2004 (8)11 杨理践 李松松 王玉梅等 小波包在管道漏磁信号分析中的应用 仪器仪表学报 2002 12 何辅云 漏磁探伤中多路缺陷信号的滑环传送方法 合肥工业大学学报(自然科学版) 1998 (6) : 12813213 周林 阙沛文 海底输油管道缺陷漏磁检测信号采集与处理系统的设计 计算机测量与控制2004 12 (2) :12012114 陈亮 阙沛文 黄作英等 一种新型磁阻式传感器在漏磁检测中的应用 传感器技术 2004 23 15 徐章遂 靳英卫 张政保等 基于磁检测的螺栓孔裂纹定量检测方法 无损检测 2001 (6) : 23723916 蔡桂喜 磁粉和漏磁探伤对裂纹状缺陷检出能力的研究 2004 年全国电磁(涡流) 检测技术研讨会论文集 鞍山:爱德森(厦门)电子有限公司ndt 事业部 2004 p :404817 便携式钻杆漏磁探伤方法与装置的研究 孙燕华 康宜华 李久政 机械电子 2005年第11期18 中国稀土永磁材料的发展现状及前景 林河成 矿业快报 2006 年10 月 第10 期19 永磁机构的研究与发展 朱学贵 王毅 罗礼全 毛慧勇 high voltage apparatus 2006 10 20 稀土永磁体在机械工程领域的应用与展望 时彧 刘义伦 陈安华 矿山机械 2006 6 21 漏磁无损检测在科学钻探钻柱损伤监测中的应用前景 探矿工程 2000 年 第5 期22 抽油杆无盲区检测方案和系统设计 张松 程顺峰 康宜华 武新军 无损检测 2005 年 第27 卷 第4 期23 钻柱现场检测及应用 赵洪臣 薛志军 张晨鹏 无损检测 2002 年 4 月24 提高油管漏磁检测设备性能的新方法 杜志叶 阮江军 余世峰 马保军 西南石油学院学报vol. 28no. 625 钻杆漏磁检测探头的设计 康宜华 孙燕华 李久政 2006年 第25卷 第11期26 漏磁检测技术及发展现状研究 林俊明 无损探伤 2006 年2 月 vo l. 30 no. 1四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向4.1国内外发展现状 随着现代科学技术的发展, 尤其是计算机技术的发展, 仪器的体积越来越小、处理速度越来越快、功能越来越强大。漏磁检测理论研究及探伤系统的传感器性能、数据处理等方面也都有很大的进步。国外研究概况国外对漏磁检测技术的研究很早, zuschlug1 于1933 年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想, 但直至 1947年 hastings 设计了第一套漏磁检测系统, 漏磁检测才开始受到普遍的承认。1973年, 英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为 600 mm 的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测, 首次引入了定量分析方法。对于缺陷漏磁场的计算始于1966年, shcherbin 和 zatsepin 两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹。苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究, 形成了两大学派, 主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。1975 年, hwang 和lord 采用有限元方法对漏磁场进行分析, 首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。edwards 和 palaer4 推出了有限长开口裂纹的三维表达式, 从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时, 漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。国内研究现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究, 其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来, 在国内无损检测工作者的共同努力下, 目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等, 在储罐底板漏磁检测研究6和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作, 利用ansys 软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响, 设计了相应的漏磁检测传感器等; 清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤, 铁铸件的漏磁探伤方法7, 采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响8 , 分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系, 如表面裂纹宽度对漏磁场y分量影响的问题; 交直流磁化问题9 , 针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题, 分析了磁化频率的选取原则等等。4.2发展趋势使用网络系统进行监控，智能管道爬行器4.3 主攻方向检测过程非自动化、检测结果很大程度上依赖于人的主观判断，以及检测效率低下这一现状。轴向裂缝检测有一定的困难，而且因漏磁技术是检测管道壁厚的间接检测方法，以检测的数据来实现直观显示管壁的缺陷也比较困难。五、主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容漏磁检测调节部分的设计:针对变径钻杆直径不同的特点,设计了移动检测探头仪,其结构如图3 所示.它由检测探头靴组件和探头仪腔体组成。探头仪腔体由磁化器和驱动装置构成。磁化器将被测钻杆进行局部轴向磁化。检测探头靴组件上安装有多自由度浮动的检测探头芯,具有对钻杆加厚过渡区与杆体交界变径区域检测的适应性,用于拾取钻杆全圆周方位的缺陷漏磁信号。检测探头由驱动装置驱动沿着被测钻杆轴向移动对其进行全面扫查检测，驱动支撑滚轮内置式悬挂安装,这样使得探头仪沿被测钻杆轴向跨度小,从而使得移动检测探头仪能够到达被测钻杆端部极限位,减小了检测盲区。漏磁检测连接部分的设计:成整圆周分布的探头芯由探头芯连接块外加弹簧形成浮动连接,适应变经区域的检测,如图5 所示.5.2关键问题1、设计永磁体18 19 20与传感器的连接；2、设计连接滚轮及弹簧。探头芯最佳检测姿态的实现主要由其径向浮动、轴向和周向转动3个浮动自由度来完成的。设计了关节式浮动连接方式来实现3个自由度浮动。如图4所示,探头芯由2个关节转轴通过连接杆连接在装有浮动弹簧的浮动臂上,可以产生2个转动,一个移动自由度浮动,中间通过另一矫正弹簧来对其姿态进行对中复位,以实现在具有3个自由度的同时还能进行姿态矫正。此浮动连接方式结构紧凑,防尘效果好。5.3解决思路做好毕业设计，前提必须了解研究目的和主攻方向，要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计，所以需要经常去图书馆和机房查阅资料。总体思路如下：1、 根据毕业设计题目，结合老师指导对调研对象进行初步分析；2、 参考资料21 22 23 24 25 26，了解调研过程，根据具体要求对研究方案进行构思；3、 设计并画出设计的机械部分视图；4、 对方案进行进一步针对性修改，以增加其直观性、可行性和实用性；六、完成毕业设计所必须的工作条件 1）图书馆资源、网上资源；2）传感器手册、液压设计手册、机械设计手册3）计算机，50学时。七、工作的主要进度与时间安排（工作量计算8-17周，共10周）no.主要工作周次安排具体时间备注1选题及准备第 6 周10.8-10.14集中选题2外文翻译第8-9周10.22-11.43开题报告资料检索，调研第10周11.5-11.114毕业设计第11-17周11.12-12.30第13周期中检查5论文审查评阅，答辩下学期2008年6月上、中旬资料装订指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录钻杆漏磁检测机械部分设计摘要学生所在系部：机械系指导老师所在单位：长江大学学生：陈明亮指导老师：杨雄摘 要：常见的井下钻具事故多是由于疏于检测致使有严重缺陷的钻具下井造成的。基于漏磁工作原理的探伤机，可以有效检测出存在缺陷的钻具，以减少事故隐患。钻杆属于薄壁管，在钻井过程中承受轴向力、弯矩、离心力、扭转力以及动载的作用，工况条件极其恶劣。特别是深井、斜井，钻杆中微小的缺陷就可能导致井下钻具事故。随着钻井技术的不断发展，为提高机械钻速，井下动力钻具的使用增多，钻柱转速提高，对钻杆质量的要求也越来越高。漏磁检测技术是近年来新发展起来的无损探伤技术，原理与磁粉探伤相同，不仅能对钻杆管体进行全面检测，而且可以利用电子技术获得直观的量化检测结果。它检测准确、速度快，尤其适合于大批量钻杆的检测工作。关键词：钻杆 漏磁检测 机械设计english summryabstract: the common mine shaft drilling tool accident many are because is negligent in the examination cause to have the serious defect drilling tool to go into a well creates. based on the leakage principle of works crack detection machine, may examine the existence flaw effectively the drilling tool, reduces the accident potential. the drill rod belongs to the thin walled tube, withstands the axial force, the bending moment, the centrifugal force, the torsion force as well as the moving load function in the well drilling process, the operating mode condition is extremely bad. specially the deep well, the slant hole, in the drill rod the small flaw possibly causes the mine shaft drilling tool accident. along with the well drilling technologys unceasing development, to enhance the machinery to drill fast, the mine shaft power drilling tools use increases, drills the column rotational speed to enhance, is also getting higher and higher to the drill rod qualitys request. the leakage examination technology was the recent years recent development lossless crack detection technology, the principle and the magnetic powder test is the same, not only could carry on the comprehensive examination to the drill rod body, moreover might obtain the direct-viewing quantification test result using the electronic technology. it examines, the speed to be quick accurately, especially suits in the mass drill rods examination work.keywords: drill pipe ，leakage examination ，machine design- xi -毕业设计正文主体毕业设计正文主体1.选题背景1.1来源本课题来源于生产实践；1.2研究的目的与意义 石油钻杆在油田钻井工程中，是地面旋转系统、提升系统、循环系统与钻铤、钻头连接的主要部件，通过它们达到转盘带动钻头旋转，大钩带动钻头升降，泥浆送到井底形成循环，从而实现钻头破碎岩层并连续钻进。正常钻进时，石油钻杆在井下要承受拉伸、压缩、扭曲和泥浆酸化等复杂交变应力，工作条件极为恶劣，随着工作频率的增大，使用时间过长，将形成疲劳裂纹，严重腐蚀坑等，因此，石油钻杆能否正常、安全地工作，是油田钻井工程能否正常进行的关键之一，在钻井工程生产中具有至关重要的地位。预防钻杆失效是提高钻井速度和保障施工安全的重要措施，历来受到石油及相关领域专家和现场工作人员的重视。一些大型油田传统的检测方法在一定程度上影响了油田经济效益的提高。漏磁检测，可以弥补传统检测方法的不足针对石油钻杆运用漏磁检测技术对其进行检测，对其方法的运用进行探讨，为提高石油钻杆使用效率，掌握其质量状况，减少钻井事故发生，从而提高整体经济效益具有十分积极的意义。石油钻杆漏磁检测原理是建立在铁磁性材料的高磁导率的特性基础上，通过测量铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检测在役石油钻杆的状况。石油钻杆（铁磁性材料）在外加磁场的作用下被磁化，当无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁性材料，此时在材料内部磁力线分布均匀；当有缺陷时，由于材料中缺陷的磁导率比铁磁性材料本身小，致使磁力线发生弯曲，并具有一部分磁力线泄漏出材料表面，通过检测该泄漏磁场，就能有效地检测出缺陷的存在，从而检测分析石油钻杆的疲劳损坏情况。1.3应解决的主要问题应解决的主要问题是钻杆的磁化问题和钻杆顺利现场检测问题。1.3.1 钻杆的磁化问题这里在每个探头上设计了两个永磁体对称分布在检测探头的传感器的两边，相距140mm。保证不管钻杆向上或是向下都能被有效磁化。1.3.2 钻杆的顺利检测问题鉴于钻杆是两头大中间小的结构，对于这种特殊结构，为了使检测仪器能在钻杆上顺利移动检测，检测仪器机械部分需要用浮动结构来调节。这里用浮动连接探头来实现。利用弹簧的伸缩性来保证仪器的顺利移动，从而保证检测顺利进行。设计了浮动连接方式来实现探头的浮动检测。如图所示，检测探头通过连接铰链与连接杆连接在装有浮动弹簧的浮动连接装置上,为防止检测探头转动,把导向连杆杆体部分都设计成方形，以实现探头的准确定位保证检测结果的准确性。此浮动连接方式结构紧凑,防油效果好。1.4应达到的技术要求1.4.1 实现钻杆的有效磁化 钻杆（铁磁性材料）在外加磁场的作用下被磁化，当有缺陷时，由于材料中缺陷的磁导率比铁磁性材料本身小，致使磁力线发生弯曲，并具有一部分磁力线泄漏出材料表面，通过检测该泄漏磁场，就能有效地检测出缺陷的存在，从而检测分析石油钻杆的疲劳损坏情况。1.4.2 实现顺利检测能保证检测探头在钻杆加厚过渡区的自由移动，更重要的是弹簧能及时准确复位，以保证无漏检情况发生。1.5国内外研究现状1.5.1 国内发展现状我国从90年代初对漏磁检测技术进行了研究, 其总体技术水平落后于欧美等发达国家。近年来, 在国内无损检测工作者的共同努力下, 目前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果,逐步缩小了与国际水平的差距。国内研究漏磁检测技术的高校主要有清华大学、华中科技大学、上海交通大学、沈阳工业大学等。其中华中科技大学的杨叔子、康宜华、武新军等, 在储罐底板漏磁检测研究6和管道漏磁无损检测传感器的研制、钢丝绳的漏磁检测等方面进行了大量的实验研究工作, 利用ansys 软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响, 设计了相应的漏磁检测传感器等; 清华大学的李路明、黄松龄等研究了管道的漏磁探伤, 铁铸件的漏磁探伤方法7, 采用有限元分析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响8 , 分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系, 如表面裂纹宽度对漏磁场y分量影响的问题; 交直流磁化问题9 , 针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题, 分析了磁化频率的选取原则等等。1.5.2 国外发展现状国外对漏磁检测技术的研究很早, zuschlug1 于1933 年首先提出应用磁敏传感器测量漏磁场的思想, 但直至 1947年 hastings 设计了第一套漏磁检测系统, 漏磁检测才开始受到普遍的承认。1973年, 英国天然气公司采用漏磁法对其所管辖的一条直径为 600 mm 的天然气管道的管壁腐蚀减薄状况进行了在役检测, 首次引入了定量分析方法。对于缺陷漏磁场的计算始于1966年, shcherbin 和 zatsepin 两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹。苏、日、美、德、英等国相继对这一领域开展研究, 形成了两大学派, 主要为研究磁偶极子法和有限元法两大学派。1975 年, hwang 和lord 采用有限元方法对漏磁场进行分析, 首次把材料内部场强和磁导率与漏磁场幅值联系起来。edwards 和 palaer4 推出了有限长开口裂纹的三维表达式, 从中得出当材料的相对磁导率远大于缺陷深宽比时, 漏磁场强度与缺陷深度呈近似线性关系的结论。1.6本研究的指导思想与技术路线做好毕业设计，前提必须了解研究目的和主攻方向，要进行大量的资料收集以及计算机的辅助设计，所以需要经常去图书馆和机房查阅资料。总体路线如下：1、 根据毕业设计题目，结合老师指导对调研对象进行初步分析；2、 参考资料21 22 23 24 25 26，了解调研过程，根据具体要求对研究方案进行构思；3、 设计并运用autocad画出设计的机械部分视图；4、 对方案进行进一步针对性修改，以增加其直观性、可行性和实用性；2.方案论证 2.1总体结构方案介绍2.1.1 方案一：如下图所示： 图2.1 浮动漏磁漏磁检测仪 探头连接部分采用浮动装置27，其基本工作原理：在钻杆径向安装浮动弹簧，在钻杆向上或是向下运动过程中，由于钻杆直径的变化需要探头位置也不断的随其相应的变化，径向安放弹簧可以实现此目的。钻杆检测前要先进行磁化，每个检测探头两端分别设计安装有一个永磁体，利用永磁体对钻杆进行磁化。探头两端均设计安放永磁体可以保证无论钻杆是上提还是下降都可以先磁化后检测，实现漏磁检测必须先磁化的条件。钻杆被磁化后通过探头的对应放传感器的地方，利用传感器对钻杆情况实施有效的现场检测。 2.1.2方案二：如下图所示：图2.2 四连杆漏磁漏磁检测仪 此检测仪器探头的连接部位采用四连杆机构实现检测时探头与钻杆平行接触，弹簧起复位和定位作用。这种结构的工作原理是：检测探头的连接部分采用四连杆机构，当检测钻杆的杆体部分时，四连杆处于矩形状态，如下图上面部分所示，当检测钻杆的加厚端时，由于钻杆直径加大，需要大的检测空间，在四连杆连接铰链的作用下四连杆发生相应的变形，随即变成如图下面部分所示的平行四边形结构，检测探头随之向外移动，检测探头距钻杆中心线的距离由a增大到b，实现了对钻杆大径区的有效检测。连杆杆体部分所连接的弹簧可以在四连杆机构发生变形时利用弹簧的特性实现对探头的定位和复位作用。 图2.3 四连杆机构2.2两种方案比较 方案一与方案二最大区别就是检测探头的连接装置。两种方案都能实现探头在钻杆加厚区与杆体之间的顺利过渡，并实现有效的检测。但方案二中弹簧布置在轴向，探头在变径区移动时促使四连杆发生形变，弹簧连接部位虽然会随连杆转动而改变方向，但由于弹簧轴向与垂直方向会存在一定的夹角，容易造成弹簧的扭弯变形，影响探头回弹准确性和及时性并且影响弹簧的使用寿命。而方案二中弹簧布置在径向，既可保证探头及时准确回弹又不会存在弹簧的扭弯变形情况。综上所述，方案一是最佳方案。2.3重要装置设计方案简介2.3.1 探头：结构形式如图1所示：图2.4 检测探头检测探头分壳体和内部结构，外壳结构如图所示，里面留有安装永磁体和传感器的腔，并有螺钉孔。下面压板由螺钉连接，实现探头结构的完整性和密封性，为防止传感器与油污或是泥浆接触发生短路，传感器用密封胶封死在壳体内。探头材料为铜合金，以防检测过程中摩擦产生电火花造成危险事故发生，另外铜合金比较耐磨，提高了检测设备的使用寿命。两端分别倒角利于检测探头在钻杆上自由顺利过渡检测。2.3.2 连接部分：结构如图2所示： 图2.5 浮动连接装置此连接装置工作原理28如下：检测探头与连杆用铰链连接，实现探头的自由摆动，便于在钻杆加厚过渡区自由方便移动检测。当检测探头过渡到钻杆加厚区时，浮动弹簧被压缩，带动探头下移，实现对钻杆大径的顺利检测。浮动弹簧采用压缩弹簧以保证在整个检测过程中探头始终与钻杆有效接触，利于磁化检测。调整弹簧可以辅助保证探头计量平整检测，不致偏移太大。 3.设计过程论证 本论文主要是设计钻杆现场无损检测仪器，对于这种仪器，它的主要部分就是检测探头和浮动连接装置，支柱以及它们的连接安装问题，其中浮动连接装置中至关重要的零件就是压缩弹簧。下面着重就针对这些问题进行论述。3.1检测探头检测探头直接与钻杆接触29，在钻杆高速旋转和轴向运动中要承受摩擦和冲击力的作用，还要受原油泥浆腐蚀，工作环境恶劣，且由于接触易燃物体，在工作过程中避免长生电火花，所以探头选和设计非常重要。1 选材：防腐蚀，耐磨，防止产生电火花，故选用铜合金：硅青铜2 设计尺寸：1) 长度： 因检测探头要保证两个永磁体中心线之间的距离为:，永磁体长度为：设计边界尺寸为： 长度设计为: 2) 宽度： 永磁体宽度为： 设计边界尺寸为： 宽度设计为:3) 高度： 永磁体高度为： 设计边界尺寸为： 压板厚度为： 高度设计为： 相关形状和尺寸如图所示：图3.1 检测探头3.2弹簧设计3.2.1 具体设计弹簧选择圆柱螺旋压缩弹簧30，具体设计方法和步骤1) 工作时，弹簧所受最大工作载荷为600n，工作环境有腐蚀性，故选择材料为1cr18ni9，类弹簧，许用切应力，许用弯曲应力， 弹性模量 ，切变模量 ，此种材料耐腐蚀，耐高温，有良好的工艺性，适用于小弹簧。2) 选择旋绕比 ，暂取 ，则根据公式 计算出曲度系数 3）根据安装空间，初定弹簧中径，则根据公式 计算出 4）计算弹簧丝直径 取 5）对于压缩弹簧，工作圈数根据公式 计算 实际工作中正常情况下 ，为保证检测时钻杆过度偏向一边时的仪器的安全，这里取 弹簧内径 弹簧外径 弹簧节距 弹簧自由长度因在实际安装中，允许的空间满足不了所设计的弹簧自由高度值，也即过大，不符合实际应用要求，需重新设计。重新设计如下: 重选 则 曲度系数：弹簧丝直径： 取 弹簧中径： 弹簧内径： 弹簧外径： 弹簧节距： 弹簧工作圈数： 取 弹簧自由长度： 取 7）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故不需要进行稳定性验算。8）疲劳强度和静应力强度的验算 疲劳强度验算公式 已知： 由 可得 对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值按公式 计算， 式中：-弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取；-弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数n，由下表查取；表3-1 弹簧参数表 变载荷作用次数n 取 故设计合理。上面设计的弹簧仅能检测5寸钻杆的现场使用情况，对于5寸以下的钻杆却无能为力。为了解决这个问题，我们可以调整设计，争取实现多种钻杆尺寸的现场检测。这里主要是改变浮动弹簧的工作变形量，依据上面的设计原则，重新设计如下：1）选材：1cr18ni9 2）旋绕比：取， 则 3）弹簧中径：4）弹簧丝直径： 取5）对于压缩弹簧工作圈数根据公式 计算，其中 在实际工作中正常情况下 这里取 则 取 6）计算弹簧内径，外径，节距，自由长度：弹簧内径 弹簧外径 弹簧节距 弹簧自由长度 取7）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故不需要进行稳定性验算。8）疲劳强度和静应力强度的验算 疲劳强度验算公式 由 可得 对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值按公式 演算 即 故弹簧设计合理。3.2.2 弹簧的有关参数如下表： 表3-2 弹簧参数表参数名称及代号计算公式结果中径30mm内径25mm外径35mm旋绕比 6长细比 3.67自由长度 110mm工作长度 30.15mm有效圈数 11.5圈总圈数 13.5圈节距 9mm轴向间距 4mm展开长度 1277.5mm螺旋角 5.458质量 0.203kg3.3浮动连接装置设计浮动连接装置的示意图如下所示：图3.2 浮动连接机构套筒与连杆下端的导向部分为圆形截面，目的是利于弹簧的自由伸缩。而连杆上端的杆体部分则设计成方形，其目的是防止检测探头在检测过程中发生转动，弹簧设计在前面已经叙述过了。下面着重讨论一下其他部分和其工作原理。1） 导向连杆31如图所示：连杆下端连接浮动弹簧，上端连接检测探头，弹簧和连杆导向部分外端有套筒起固定导向和防油污作用；连杆下端设计还利于对弹簧的定位；连杆杆体部分采用方形结构，既实现轴向作用，又可防止探头在检测过程中发生转动；连杆导向部分和套筒内壁也采用小间隙配合，既起导向作用又可防止连杆在套筒内发生大的偏转带动检测探头的偏转而影响弹簧最佳工作状态（轴向运动）的保证，影响检测探头的径向检测，最终影响检测结果的准确性。由于检测仪器工作环境的特殊性，既腐蚀又易燃，鉴于连杆的工作情况，选择硅青铜，既耐磨有可防止产生电火花。2） 浮动弹簧前面有详细的计算说明，弹簧为圆柱螺旋弹簧，顶端磨平，与导向连杆接触端直接套在连杆下端的部分，也起一定的导向和定位作用。3） 套筒套筒选材也要耐磨并防止产生电火花，故此处选用黄铜。对套筒有个很特殊的要求就是内壁一定要光滑达到要求的粗糙度，因为套筒内壁直接与连杆的导向部分接触，连杆要带动探头顺利移动，就要求摩擦力尽量减小，内壁尽量光滑。4）套筒盖套筒盖设计为长方形，因为仪器要承受150n的作用压力就需要在内部布置支柱。由于检测仪器内部空间有限，如果套筒盖也随套筒设计成圆形或是方形，影响支柱的安放空间。5）垫板 因为检测仪器为圆柱形，内壁的圆弧结构不利于浮动连接装置与仪器内壁的连接，所以设计一种特殊的垫板起过渡作用，以方便连接装置与仪器的连接。 垫板的结构如图所示，它与仪器内壁采用焊接方式连接。图3.3 垫板3.4支柱设计3.4.1 钻杆有关参数如下32： 1） 杆体参数表3-3 杆体参数外径 mm名义质量kg/m 平端质量 kg壁厚mm钢级加厚端型式127 38.1 35.79 12.70ei，e，u2）加厚端尺寸表3-4 加厚端尺寸外径 mm内径 mm最小长度 mm最大长度 mm钢级 149.2 96.9 76.2 139.7 x，g，s3.4.2 钻杆重量计算： 本设计应用于4000米以下钻杆现场检测，4000米钻杆质量近似计算如下：则钻杆总重量为：3.4.3 支柱设计： 选材：支柱起一般的支撑作用，选用q235； 类型：圆钢； 压力：由于仪器壳体不承重，钻杆重量全部由支柱支撑，则 ； 根数：初定8根； 每根承重：； q235的许用压应力： 设计计算： 由公式直接求出支柱必需的横截面尺寸：即 校核计算：按公式进行校核， 设计计算合理。3.4.4 直径计算圆钢直径：由 得这里取3.4.5 校验合理性如图所示 支柱分布情况：图3.4 支柱1显见，支柱分布受空间限制，故需进行校核，看设计是否合理。错误！未找到引用源。 如果将支柱安放在距检测最大外径处相距处，则支柱中心所在圆的一些 参数如下：直径为：周长为：探头所占长度为：支柱可占长度为：每根支柱可占长度为：显见：，即实际空间不够放下设计尺寸的支柱，需要重新设计。错误！未找到引用源。 如果将支柱安放在距检测最大外径处相距处，则支柱中心所在圆的一些 参数如下： 直径为：周长为：探头所占长度为：支柱可占长度为：每根支柱可占长度为： 显见：，即实际空间不够放下设计尺寸的支柱，而且可以看出钻杆安放空间靠位置外移是不行的，必须改变设计策略，这里重新设计每个位置安放两根支柱，即支柱数量为，放置情况如图所示：图3.5 支柱2则：每根承重：； q235的许用压应力： 设计计算： 由公式直接求出支柱必需的横截面尺寸：即 校核计算：按公式进行校核， 设计计算合理。 圆钢直径：由 得 可以看出即便支柱安放在上面第错误！未找到引用源。 种情况，即放在距最大检测外径处，也满足不了安放空间，故这里计每处安放3根支柱，即放置情况如图所示：图3.6 支柱3则：每根承重：； q235的许用压应力： 设计计算： 由公式直接求出支柱必需的横截面尺寸：即 校核计算： 设计计算合理。 圆钢直径：由 得显见， 故可满足安装和正常工作要求。设计合理。3.4.6 支柱设计具体数据如下： 共24根，分8组安装，每组3根均布； 每根截面直径为：31mm： 每根长度为：234mm3.5连接零件选择333.5.1 螺栓： 1）壳体连接螺栓： 因这部分螺栓仅起一般的连接作用，基本不受什么力的作用，故选用普通的连接螺栓即可。在被连接件上开有通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端拧上螺母。这种连接的结构特点是被连接件上的通孔和螺栓杆间留有间隙，通孔的加工精度要求低，结构简单，装拆方便，使用时不受被连接件材料的限制，因此采用极广。2）连接套筒用连接螺栓： 因套筒设计原因，为方便制造，上端采用盖体与下端的连接，如图代替通体制造的图 ，图3.7 套筒连接螺栓3.5.2 螺钉 1）探头压板与探头连接用螺钉：图3.8 探头固定螺钉如图所示，这种连接的特点是螺钉直接拧入被连接件的螺纹孔中，不用螺母，在结构上比双头螺柱连接简单，紧凑。其用途和双头螺柱连接相似，适用于结构上不能用螺栓连接的场合，但如经常拆装时，宜使螺纹孔磨损，可能导致被连接件报废，故多用于受力不大，或不需要经常拆装的场合。此处选择比较合理。2）探头套筒与检测仪器内壁连接用螺钉：图3.9 套筒固定螺钉3.6安装问题3.6.1 检测探头装置的安装问题：1） 传感器的安装： 传感器安装在设计的腔内，用密封胶封死，防止传感器与原油或泥浆接触造成短路。这个环节至关重要，整个检测仪器就靠传感器检测通过转换输出设备向外输出数据，显示结果，达到检测的目的。2） 永磁体的安装： 两个永磁体对称安装在为它们设计的腔内，为便于安装，永磁体与探头 外壳之间采用是小间隙配合。3） 压板与检测探头之间的安装： 压板与检测探头之间用螺钉连接，采用型4） 压板与导向连杆之间的安装： 压板与导向连杆之间用两个连接螺钉连接，选用型3.6.2 浮动连接装置的安装问题：1） 浮动弹簧的安装： 浮动弹簧两头磨平，与导向连杆和垫板之间均采用焊接方式连接。浮动弹簧于导向连杆之间有较小的安装空间，弹簧套在专门设计的导向连杆尾部的部分。2） 导向连杆的安装： 导向连杆上端与检测探头压板之间用连接螺钉连接，中间导向部分与套筒内壁采用小间隙配合安装，下端与弹簧之间是设计有安装空间。3） 套筒盖的安装： 套筒盖与套筒之间用的连接螺钉连接，套筒盖与导向连杆杆体部分采用小间隙配合安装，既起导向作用有可防止连杆的晃动。4） 套筒的安装： 套筒与垫板之间用的紧固螺钉连接，套筒内壁和弹簧之间是有间隙的安装。5） 垫板的安装： 垫板和仪器外壳之间用焊接方式连接，垫板与套筒之间用螺钉连接。6） 套筒支撑的安装：3.6.3 支撑装置的安装问题34：1） 支柱的安装：支柱与固定板之间采用焊接方式连接安装。2） 固定板的安装： 固定板与检测仪器顶板和底板之间采用焊接方式连接，固定板和支柱之 间也的采用焊接方式连接。3.6.4 其他安装问题1） 仪器顶板与仪器外壳之间的安装： 仪器顶板与仪器外壳之间用的螺栓配合螺母连接安装。2） 仪器底板与仪器外壳之间的安装： 仪器底板与仪器外壳之间用的螺栓配合螺母连接安装。3） 仪器与防喷器之间的安装：仪器与防喷器之间靠螺栓和螺母连接，仪器底板设计有长的连接空间，利于检测仪器与其他部件的配合安装。4.结果分析 通过上面的设计计算